第一章土力学与基础工程概论

1、地基基础的重要性地基基础的重要性 地基与基础是建筑物的根基，又属于隐蔽工程，它的勘察、设计和施工质量直接关系到建筑物的安危! 与土有关的典型工程失败案例与土有关的典型工程失败案例 一、与土或土体有关的变形问题一、与土或土体有关的变形问题 二、与土或土体有关的强度问题二、与土或土体有关的强度问题 三、与土或土体有关的渗透变形问题三、与土或土体有关的渗透变形问题是意大利比萨城大教堂的是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼，是比萨城的标志。独立式钟楼，是比萨城的标志。 比萨斜塔是举世闻名的建比萨斜塔是举世闻名的建筑物倾斜的典型实例。筑物倾斜的典型实例。 在建筑的过程中就已出现在建筑的过程中就已出现倾斜，原

2、本是一个建筑败笔，倾斜，原本是一个建筑败笔，却因祸得福成为世界建筑奇观。却因祸得福成为世界建筑奇观。 伽利略的自由落体试验更伽利略的自由落体试验更使其蜚声世界，成为世界著名使其蜚声世界，成为世界著名旅游观光圣地。旅游观光圣地。 一、变形问题一、变形问题意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔 始建于始建于1173年，年，60米高。米高。1271年建成。年建成。平均沉降平均沉降2米，最大沉米，最大沉降降4米。倾斜米。倾斜5.5 ，顶，顶部偏心部偏心5.27米米 但随着时间的推移，但随着时间的推移，斜塔倾斜角度的逐渐斜塔倾斜角度的逐渐加大，到上个世纪九加大，到上个世纪九十年代，已濒于倒塌。十年代，已濒于倒塌。

3、比萨斜塔-不均匀沉降的典型原因：原因：地基持力层为粉砂，下地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层，强面为粉土和粘土层，强度低，变形大。度低，变形大。比萨斜塔-不均匀沉降的典型原因：是由于它地基下原因：是由于它地基下面土层的特殊性造成的。面土层的特殊性造成的。其下有好几层不同材质其下有好几层不同材质的土层，各种软质粉土的土层，各种软质粉土的沉淀物和非常软的粘的沉淀物和非常软的粘土相间形成，而在深约土相间形成，而在深约一米的地方则是地下水一米的地方则是地下水层。最新的挖掘表明，层。最新的挖掘表明，钟楼建造在了古代的海钟楼建造在了古代的海岸边缘，岸边缘， 因此土质在建造时因此土质在建造时便已经沙化和下

4、沉。便已经沙化和下沉。 1838-18391838-1839：挖环形基坑卸载：挖环形基坑卸载1933-19351933-1935：基坑防水处理：基坑防水处理 基础环灌浆加固基础环灌浆加固19901990年年1 1月月: : 封闭封闭19921992年年7 7月：加固塔身，用压重月：加固塔身，用压重 法和取土法进行地法和取土法进行地 基处理基处理 目目 前前 : : 已向游人开放。已向游人开放。 19861986年：开工年：开工19901990年：人工岛完成年：人工岛完成19941994年：机场运营年：机场运营面积：面积：4370m4370m1250m1250m填筑量：填筑量：180180101

5、06 6m m3 3平均厚度：平均厚度：33m33m世界最大的人工岛世界最大的人工岛日本日本 关西机场关西机场问题：沉降大且不均匀问题：沉降大且不均匀 设计沉降：设计沉降：5.7-7.5 m 完成时完成时(1990年年)实际沉降：实际沉降：8.1 m，5cm/月月 预测主固结需：预测主固结需：20年年 比设计多超填：比设计多超填：3m上海展览中心上海展览中心地基严重下沉地基严重下沉墨西哥市艺术宫墨西哥市艺术宫地基土为超高压缩性土。地基土为超高压缩性土。天然孔隙比天然孔隙比712，天，天然含水量然含水量150600，为世界罕见的软弱为世界罕见的软弱土，层厚土，层厚25m。下沉达下沉达4m，旁边的

6、道，旁边的道路下沉路下沉2m。广州地铁三号线广州地铁三号线附近居民楼倾斜附近居民楼倾斜一、强度问题一、强度问题加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 事故：事故：19131913年年9 9月装谷物，月装谷物，1010月月17 17 日装了日装了3182231822谷物时，谷物时，1 1小时竖向沉降达小时竖向沉降达30.5cm30.5cm2424小时倾斜小时倾斜26265353西端下沉西端下沉7.32m7.32m 东端上抬东端上抬1.52m1.52m上部钢混筒仓完好无损上部钢混筒仓完好无损概况：长概况：长59.4m59.4m，宽，宽23.5m23.5m，高，高31.0m31.0m，共，共6565个

7、圆筒仓。个圆筒仓。 钢混筏板基础，厚钢混筏板基础，厚61cm61cm，埋深，埋深3.66m3.66m。 19111911年动工，年动工，19131913年完工，自重年完工，自重20000T20000T。加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 原因：原因：地基土事先未进行调查，只根地基土事先未进行调查，只根据邻近结构物基槽开挖取土试据邻近结构物基槽开挖取土试验结果，计算地基承载力应用验结果，计算地基承载力应用到此谷仓。到此谷仓。19521952年经勘察试验年经勘察试验与计算，地基实际承载力远小与计算，地基实际承载力远小于谷仓破坏时发生的基底压力。于谷仓破坏时发

8、生的基底压力。因此，因此，谷仓地基因超载发生强谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。度破坏而滑动。处理：处理：事后在下面做了事后在下面做了7070多个支撑于基岩上的混凝土墩。多个支撑于基岩上的混凝土墩。使用使用388388个个50t50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来。千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来。但其位置比原来降低了米。但其位置比原来降低了米。 2653失事后1913.10.181952.10.5 试验孔填土褐色粉质粘土灰色粉质粘土-0.61-12.34-13.72-4.271952.10.3 试验孔加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓 19401940年在软粘年在软粘土地

9、基上的某土地基上的某水泥仓的倾覆水泥仓的倾覆某水泥仓的倾覆某水泥仓的倾覆蓝粘土蓝粘土石头和粘土石头和粘土地基土可能的滑动方向地基土可能的滑动方向岩石办公楼外墙办公楼外墙黄粘土黄粘土水泥仓地基水泥仓地基整体破坏整体破坏原因：原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土土体滑动力超过土的强度的强度，于是山坡土体发生滑动。，于是山坡土体发生滑动。Early 1972 滑坡前滑坡前July 1972 滑坡后滑坡后液化：液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变成流动状态的松砂地基在振动荷载作用下

10、丧失强度变成流动状态的一种现象一种现象神户码头：神户码头：地震引起大面积砂地震引起大面积砂土地基液化后产生土地基液化后产生很大的侧向变形和很大的侧向变形和沉降，沉降，大量的建筑物倒塌大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤或遭到严重损伤地基液化造成的路面塌陷地基液化造成的路面塌陷TetonTeton坝（美国）坝（美国）损失损失直接直接80008000万美元，万美元，起诉起诉55005500起，起，死死1414人，人，受灾受灾2.52.5万人，万人，6060万亩土地，万亩土地，3232公里铁路被冲公里铁路被冲三、渗透问题三、渗透问题TetonTeton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程原因原因渗透破坏：冲蚀渗透

11、破坏：冲蚀水力劈裂水力劈裂造成土体管涌或直造成土体管涌或直接对槽底松土产生接对槽底松土产生管涌管涌 1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。12：00过后坍塌口加宽失事现场目前的状况F 加拿大特朗斯康谷仓地基失稳加拿大特朗斯康谷仓地基失稳F 香港宝城滑坡香港宝城滑坡F 阪神等大地震中地基液化阪神等大地震中地基液化强度问题强度问题F 意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔F 苏州虎丘塔苏州虎丘塔F 日本关西机场日本关西机场变形问题变形问题F 美国美国TetonTeton坝失事坝失

12、事渗透问题渗透问题目目 录录E1 1、绪论、绪论E2 2、土的物理性质及工程分类、土的物理性质及工程分类E3 3、土中应力计算、土中应力计算E4 4、土的压缩性和地基沉降计算、土的压缩性和地基沉降计算E5 5、土的抗剪强度、土的抗剪强度E6 6、土压力和土坡稳定、土压力和土坡稳定E7 7、浅基础设计、浅基础设计E8 8、桩基础和深基础、桩基础和深基础1、绪论绪论E1.1 土力学、地基及基础的定义土力学、地基及基础的定义E1.2 本课程的内容、学习方法和要求本课程的内容、学习方法和要求E1.3 本学科发展概况本学科发展概况E1.4 与土力学有关的工程问题与土力学有关的工程问题1.1 土力学、地基

13、及基础概念土力学、地基及基础概念土力学土力学工程力学的一个分支，用于工程力学的一个分支，用于研究土体的应力、变形、强度、渗流和长期研究土体的应力、变形、强度、渗流和长期稳定性的一门学科。稳定性的一门学科。地地 基基 种种 类类 天然地基天然地基 未经人工处理就可满足设计要求的地基。未经人工处理就可满足设计要求的地基。 人工地基人工地基 地层承载力不能满足设计要求，需进行加地层承载力不能满足设计要求，需进行加固处理的地基。固处理的地基。 基基 础础 种种 类类 浅基础浅基础 埋深埋深35m, ,只需挖槽、排水等普通施工只需挖槽、排水等普通施工程序即可建造的基础。程序即可建造的基础。 深基础深基础

14、 借助于特殊施工方法建造的基础。如借助于特殊施工方法建造的基础。如桩基、桩基、墩基、沉井和地下连续墙墩基、沉井和地下连续墙。 地基与基础设计的基本条件地基与基础设计的基本条件 作用于地基上的荷载效应不得超过地基容作用于地基上的荷载效应不得超过地基容 许许承载力承载力值。值。 基础沉降不得超过地基基础沉降不得超过地基变形变形容许值。容许值。 具有足够具有足够防止失稳破坏防止失稳破坏的安全储备。的安全储备。1.2 本课程的内容、学习方法和要求本课程的内容、学习方法和要求 本课程是土木工程专业的一门本课程是土木工程专业的一门主干专业主干专业课程课程，涉及地质学、结构设计和施工等几个，涉及地质学、结构

15、设计和施工等几个学科领域。学科领域。1. 相关知识：相关知识：材料力学、结构力学、弹性力学、材料力学、结构力学、弹性力学、建筑材料、建筑结构、建筑材料、建筑结构、工程地质工程地质2. 研究对象：各向异性土体研究对象：各向异性土体3. 研究重点：土的研究重点：土的变形、强度、稳定性变形、强度、稳定性研究内容研究内容 研究与工程建筑有关的土的变形和强度特性，并据此计算土体的固结与稳定，为各项专门工程服务。 应力分布理论地基变形计算渗透固结理论土压力计算土坡稳定性分析地基承载力计算强度破坏理论有效应力原理F 注意土的基本特点：通过与其它材料对比注意土的基本特点：通过与其它材料对比F 注重理论联系实际

16、：通过现场观察与试验注重理论联系实际：通过现场观察与试验F 注重正确学习方法注重正确学习方法 - - 概念，原理，方法概念，原理，方法 - - 内容间联系内容间联系 - - 要记忆，但不能死记要记忆，但不能死记1.3 本学科发展概况本学科发展概况 1818世纪世纪 土力学理论的产生和发展土力学理论的产生和发展 17731773年年 法国的库仑（法国的库仑（CoulombCoulomb）-砂土抗剪强度理论砂土抗剪强度理论 与土压力理论与土压力理论 18571857年年 英国朗肯英国朗肯朗肯土压力理论朗肯土压力理论 18851885年年 法国布新奈斯克（法国布新奈斯克（BoussinesqBous

17、sinesq）弹性半空间解弹性半空间解 19251925年年 美国太沙基美国太沙基土力学土力学专著与有效应力原理专著与有效应力原理 土力学土力学学科发展概况学科发展概况 本学科研究领域本学科研究领域20世纪世纪60年代年代70年代年代区域性土分布和特性区域性土分布和特性地基处理技术地基处理技术水利、铁道和矿井等工程建设70年代年代80年代年代基础工程、围护体系的稳定基础工程、围护体系的稳定和变形和变形复合地基新技术的开发和应用复合地基新技术的开发和应用地基基础施工质量检测及地基基础施工质量检测及岩土工程测试技术岩土工程测试技术建筑工程、市政工程和交通工程建设90年代后年代后岩土工程岩土工程计算

18、机分析计算机分析岩土工程可靠度分析岩土工程可靠度分析环境岩土工程环境岩土工程城市地铁、越江越海地下隧道、超高层建筑超深基础及特大桥超深基坑工程建设等特殊岩土工程问题特殊岩土工程问题 随着工程地质勘察、室内及现场土工试验、地基处理、新设备、新材料、新工艺、新测试技术等研究和应用进展以及有关基础工程各种设计与施工、质量检测的规范规程日臻完善，为我国基础工程设计与施工做到技术先进、经济合理、确保质量提供了理论与实践依据。 近年来近年来1 1.4 与土力学有关的工程问题与土力学有关的工程问题1 1、土三个方面的应用、土三个方面的应用 建筑物地基建筑物地基土作为构筑物的环境土作为构筑物的环境土工建筑材料土工建筑材料土土建筑建筑桥梁桥梁地铁隧道地铁隧道边坡边坡道路道路大坝大坝2、与土有关的工程、与土有关的工程台北101 目前为世界上最高建筑，高508m，共101层，位